Η επίδραση της χωρικής μεταβλητότηατς της βροχόπτωσης στην προσαρμογή υδρολογικών μοντέλων. Εφαρμογή στη λεκάνη του Σπερχειού

Abstract

Το ζήτημα της χωρικής μεταβλητότητας της βροχόπτωσης ανέκαθεν αποτελούσε πεδίο μελέτης. Η αποτύπωση της καθώςκαι η επίδρασή της στην προσαρμογή των υδρολογικών μοντέλων αποτέλεσε και αποτελεί αντικείμενο έρευνας των επιστημόνων. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, αρχικά δημιουργήθηκαν διανυσματικά ομογενή και ισότροπα πεδία βροχόπτωσης για τηνπεριοχή της λεκάνης του Σπερχειού, με τη χρήση του προγράμματος ARC-GIS 9.3 για την γεωτατιστική μέθοδο Co Kriging. Αυτό έγινε με την εισαγωγή σημειακών δεδομένων που ελήφθησαν από 14 σημεία της ευρύτερης περιοχής ελέγχου και αφορούσαν σε χρονοσειρές 50 ετών, οι οποίες προέκυψαν μετά από επέξεργασία του πρωτογενούς δείγματος μέσα από τεχνικές επέκτασης και συμπλήρωσης. Στόχος ήταν η όσο το δυνατόν επαρκέστερη αποτύπωση της χωρικής μεταβλητότητας της βροχόπτωσης και η εξαγωγή χρονοσειρών μέσης μηνιαίας βροχόπτωσης για την παραπάνω περίοδο. Στη συνέχεια έγινε η υδρολογική προσωμοίωση της λεκάνης ελέγχου με το πρόγραμμα HYDROGEIOS υποστηριζόμενο από το περιβάλλον MapWindow. Στο μοντέλο σχηματοποιήθηκε τόσο το επιφανειακό όσο και το υπόγειο σύστημα και εισήχθησαν τα δεδομένα βροχόπτωσης που προέκυψαν από την εφαρμογή της κλασσικής μεθόδου πολύγωνων Thiessen και από την παραπάνω μέθοδο του Co Kriging. Ακολούθησε η ημιααυτόματη βαθμονόμηση του μοντέλου, μέσω ολικής βελτιστοποίησης και για τα δύο πακέτα δεδομένων και αναπτύχθηκαν δύο σενάρια απορροής. Η βαθμονόμηση έγινε σε στάδια σε κάθε ένα από τα οποία έλαβε χώρα πλήθος δοκιμών. Βελτιστοποιήθηκαν όλες οι παράμετροι σε επιλεγμένες κάθε φορά ομάδες. Εντοπίστηκε με αυτόν τον τρόπο πρώτον σε ποιές παραμέτρους παρουσιάζει ευαισθησία το μοντέλο και δεύτερον το εύρος τιμών του εφικτού χώρου για τον οποίο η κάθε παράμετρος έχει φυσική ερμηνεία. Στόχος ήταν ο εντοπισμός εκείνης της ομάδας παραμέτρων που οδηγούσαν σε καλύτερη προσομοίωση σε σχέση με το παρατηρημένο υδρογράφημα στη θέση ελέγχου. Κρίτηρια επίδοσης του μοντέλου τόσο για τη βαθμονόμηση όσο και για την επαλήθευση τέθηκαν η αποτελεσματικότητα, η μεροληψία του μέσου καθώς και το σφάλμα μηδενικών παροχών. Τέλος έγινε η σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο σεναρίων προσομοίωσης τόσο για την περίοδο βαθμονόμησης όσο και για την περίοδο επαλήθευσης. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη σύγκριση των παραμέτρων ως προς τη φυσική τους ερμηνεία αλλά και στη σύγκριση των μέσων ετήσιων υδατικών ισοζυγίων.

The subject of spatial variability of rainfall has always been a field of study. Its representation and impact in the adaptation of hydrological models has been and is being investigated by scientists. In this study homogenous and isotropic vector fields of rainfall for the region of Sperhios basin were originally created by using the program ARC-GIS 9.3 for the geostatistical method “Co Kriging”. This was done by introducing data points taken from 14 gauges from the study area during a 50-year period. The data emerged after the primary sample processing, through expansion and completion techniques. The goal was the most adequate depiction of the spatial variability of rainfall and the extraction of the average monthly rainfall time series for the above period. The hydrological simulation was done using the program HYDROGEIOS supported by the environment MapWindow. The model formalized both the surface and the underground system. The rainfall data was obtained by applying the classical method of Thiessen polygons and the above method of Co Kriging. A semiautomatic calibration of the model was perfomed through the global optimization for both data packages and two scenarios were developed. The calibration was done in steps each of which required many tests. All the parameters were optimized in seleψted groups in each test. In this way, firstly were detected which parameters the model is sensitive to and secondly the range of feasible region for which each parameter has a physical interpretation. The aim was to identify that group of parameters which lead to a better simulation in reference to the observed hydrograph. The goodness-of-fit criteria of the model in both calibration and validation were the efficiency, the average bias and the error of zero discharges. Finally, the two scenarios were compared for both the calibration and the validation period. Particular emphasis was placed on the comparison of the parameters in relation to their physical interpretation and on the average annual water balance in reference to its realistic representation.